轮廓铣削工艺编程
5．6 轮廓铣削工艺、编程
5．6．1 关于轮廓周铣
1．轮廓铣削加工的内容、要求
由直线、圆弧、曲线通过相交、相切连接而成二维平面轮廓零件，适合用数控铣床周铣加工，这是因为数控铣床相对普通铣床具有多轴数控联动的功能。
零件二维平面轮廓，一般有轮廓度等形位公差要求，轮廓表面有表面粗糙度要求。具有台阶面的平面轮廓，立铣刀在对平行刀具轴线的轮廓周铣的同时，对垂直于Z 轴的台阶面进行端铣削，台阶面亦有相应的质量要求。如图5-6-1所示工件轮廓，有轮廓度和表面质量要求。
2．周铣轮廓的特点
立铣刀周铣平面轮廓时，刀具轴线平行于轮廓侧面，铣刀的圆柱素线的直线度对轮廓面质量产生影响。
周铣用的圆柱铣刀刀杆较长、直径较小、刚性较差，容易产生弯曲变形和引起振动。
周铣时刀齿断续切削，刀齿依次切人和切离工件，易引起周期性的冲击振动。为了减小振动，可选用大螺旋角铣刀来弥补这一缺点。
周铣时，只有圆周上的主切削刃在工作，不但无法消除加工表面的残留面积，而且铣刀装夹后的径向圆跳动也会反映到加工工件的表面上。
5．6．2 立铣刀及选用
立铣刀是数控机床上用得最多的一种铣刀，主要用于加工凸轮、台阶面、凹槽和箱口面。
1. 普通高速钢立铣刀
如图5-6-2所示为普通高速钢立铣刀，其圆柱面上的切削刃是主切削刃，端面上分布着
副切削刃，主切削刃一般为螺旋齿，这样可以增加切削平稳性，提高加工精度。标准立铣刀
的螺旋角β为40°～45°（粗齿）和30°～35°（细齿），套式结构立铣刀的β为15°～25°。
由于普通立铣刀端面中心处无切削刃，所以立铣刀工作时不能作轴向进给，端面刃主要用来加工与侧面相垂直的底平面。
图5-6-2普通高速钢立铣刀
图5-6-1轮廓加工工件
a)每齿单条刀片 b)每齿多个刀片
图5-6-3硬质合金螺旋齿立铣刀
直径较小的立铣刀，一般制成带柄形式。φ2～φ71mm 的立铣刀为直柄；φ6～φ63mm 的立铣刀为莫氏推柄；φ25～80mm 的立铣刀为带有螺孔的7：24锥柄，螺孔用来拉紧刀具。直径大干φ40～φ160mm 的立铣刀可做成套式结构。
2．硬质合金螺旋齿立铣刀
为提高生产效率，除采用普通高速钢立铣刀外，数控铣床或加工中心普遍采用硬质合金螺旋齿立铣刀
如图5-6-3所示硬质合金螺旋齿立铣刀。这种刀具用焊
接、机夹或可转位形式将硬质合金刀刃装在具有螺旋槽的刀体上，它具有良好的刚性及排屑性能，可适合粗、精铣削加工，生产效率可比同类型高速钢铣刀提高2～5倍。
如图5-6-3a 所示为在每个齿槽上装单条刀片的硬质合金立铣刀。
如图5-6-3b 所示硬质合金立铣刀，常称为“玉米立铣刀”，在一个刀槽中装上两个或更多的硬质合金刀片，并使相邻刀齿间的接缝相互错开，利用同一刀槽中刀片之间的接缝作为分屑槽，通常在粗加工时选用。
3．波形刃立铣刀
数控铣床或加工中心加工常选用波形刃立铣刀进行切削余量大的粗加工，能显著地提高铣削效率。
波形刃立铣刀与普通立铣刀的最大区别是其刀刃为波形，如图5-6-4所示。波形刃能将狭长的薄切屑变为厚而短的
碎块切屑，使排屑顺畅，有利于自动加工的连续进行；由于刀刃是波形，使它与被加工工件接触的切削刃长度较短，刀具不易产生振动；刀刃的波形特征还使刀刃的长度增大，有利于散热，并有利于切削液容易渗入切削区，能充分发挥切削液的效果。
4．立铣刀尺寸选择
CNC 加工中，必须考虑的立铣刀尺寸因素包括：立铣刀直径，立铣刀长度，螺旋槽长度(侧刃长度)。
CNC 加工中，立铣刀的直径必须非常精确，立铣刀的直径包括名义直径和实测的直径。名义直径为刀具厂商给出的值；实测的直径是精加工用作半径补偿的半径补偿值。重新刃磨过的刀具，即使用实测的直径作为刀具半径偏置，也不宜将它用在精度要求较高的精加工中，这是因为重新刃磨过的刀具存在较大的圆跳动误差，影响到加工轮廓的精度。
图5-6-4波形刃立铣刀
直径大的刀具比直径小的刀具的抗弯强度大，加工中不容易引起受力弯曲和振动。立铣刀铣外凸轮廓时，可按加工情况选用较大的直径，以提高刀的刚性；立铣刀铣削凹形轮廓时，铣刀的最大半径选择受凹形轮廓的最小曲率半径限制，铣刀的最大半径应小于零件内轮廓的最小曲率半径，一般取最小曲率半径的0.8～0.9倍。
刀具从主轴伸出的长度和立铣刀从刀柄夹持工具的工作部分中伸出的长度也值得认真考虑，立铣刀的长度越长，抗弯强度减小，受力弯曲程度大，会影响加工的质量，并容易产生振动，加速切削刃的磨损。
5．立铣刀刀齿选用
立铣刀根据其刀齿数目，可分为粗齿(Z为3、4、6、8)、中齿(Z为4、6、8、10)和细齿(Z为5、6、8、10、12)。粗齿铣刀刀齿数目少、强度高、容屑空间大，适用于粗加工；细齿齿数多、工作平稳，适用于精加工。中齿介于粗齿和细齿之间。
被加工工件材料类型和加工的性质往往影响刀齿数量选择。
在加工塑性大的工件材料，如铝、镁等，为避免产生积屑瘤，常用刀齿少的立铣刀,立铣刀刀齿越少，螺旋槽之间的容屑空间越大，可避免在切削量较大时产生积屑瘤。
加工较硬的脆性材料，需要重点考虑的是避免刀具颤振，应选择多刀齿立铣刀，刀齿越多切削越平稳，从而减小刀具的颤振。
小直径或中等直径的立铣刀，这些立铣刀通常有两个、三个和四个刀齿，三刀齿立铣刀兼有两刀齿刀具与四刀齿刀具的优点，加工性能好，但三刀齿立铣刀不是精加工的选择，因为很难精确测量其直径尺寸。键槽铣刀不管直径多大，它通常只有两个螺旋槽，它与钻头相似，可沿Z轴向切入实心材料。
5．6．3 轮廓周铣削用量
⑴立铣刀应用中的切削深度:
螺旋槽长度(侧刃长度)决定切削的最大深度，实际应用中，Z方向的吃刀深度不宜超过刀具直径的1.5倍，侧向的吃刀深度不宜超过刀具半径值。直径较小的立铣刀，切削深度选择得更小些，以保证刃具有足够的刚性。
⑵立铣刀应用中的进给速度:
立铣刀加工应考虑在不同情形下选择不同的进给速度。如，立铣刀在铣槽加工中，若从平面侧进刀，可能产生全刀齿切削时，刀具底面和周边都要参与切削，切削条件相对较恶劣，可以设置较低的进给速度。在加工过程中，进给速度也可通过机床控制面板上的修调开关进行人工调整，但是最大进给速度要受到设备刚度和进给系统性能等限制。
⑶立铣刀主轴转速:
硬质合金可转位立铣刀相对标准的HSS刀具加工钢材时，主轴转速应相对高一些，硬质合金刀具在加工中，随着主轴转速的提高，与刀具切削刃接触的钢材的温度也升高，从而降低材料的硬度，这时加工条件较好。硬质合金刀具使用的主轴转速通常为标准HSS刀具的3～5倍，硬质合金可转位立铣刀加工时若使用较低主轴转速容易使硬质合金刀具崩裂甚至损坏。但对于高速钢刀具，使用较高主轴转速会加速刀具的磨损。
⑷立铣刀加工振动与切削用量：
立铣刀在加工过程中刀具有可能出现振动现象。振动会使立铣刀圆周刃的吃刀量不均匀，且切削量比原定值增大，影响加工精度和刀具使用寿命。当出现刀具振动时，应考虑降低切削速度和进给速度，如两者都已降低40%后仍存在较大振动，则应考虑减小吃刀量。
5．6．4 轮廓分层铣削
1．分层铣削
工件轮廓铣削粗加工时，力求用最短的时间切除工件大部分余量，但当工件X、Y向或Z向有较大余量，受工艺系统刚度和强度限制，刀具不可能一次走刀就切削完成该向余量，应根据工艺系统刚度和强度的实际情况分成多次切削。如，当工件表面有硬皮，第一刀铣削吃刀量宜大些，以避开硬层。
轮廓是否分层切削，还取决于工件的表面质量要求。当工件上要求的表面粗糙度
Ra=6.3～3.2时,可分粗、精铣两次加工，粗铣留有0.5～1mm的余量给精加工。当工件上要求的表面粗糙度Ra=1.6～0.8时,可分粗、半精、精铣三次加工，精加工余量0.5mm，半精加工余量1.5～2mm。
2．分层铣削子程序
工件轮廓在X、Y向或Z向分层时，轮廓切削程序在X、Y向或Z向的若干位置上，存在有多处在写法上完全相同或相似的内容。如在XY向分层切削时，不同层的轮廓切削程序仅仅是刀具偏移工件轮廓的值不同，其它内容相同。在Z向分层切削时，不同层的轮廓切削程序仅仅是刀具偏移工件轮廓的值不同，其它内容相同。为了简化程序，可以把这些重复的程序段单独抽出，并按一定格式编成子程序。
3．分层铣削应用示例
图5-6-1所示轮廓加工工件，选择φ30的立铣刀，Z向采用分层切削的方法，拟分三层切削，第一层切到Z-5，第二层切到Z-9，第三层Z-10。
如图5-6-5，选择工件上表面圆孔中心为工件零点，求得轮廓各基点坐标为A（-32.0,0）；B（-27.2,-9.6）；C（-14.4,19.21）；D（14.4,-19.21）；F（27.2,-9.6）；F（32.0,0）。
选择刀具的起始点在X57，Y0，与工件有足够的安全间隙，OP运动建立补偿，圆弧PA
切入轮廓，圆弧AQ切出轮廓，QS运动取消补偿。
拟定水平面内，分粗、半精、精铣三层切削，粗加工后留余量2mm，半精加工后留精加工余量0.5mm，精铣时沿轮廓加工。
水平面内，粗加工半径补偿值D1=2+15=17；半精加工半径补偿值D2=0.5+15=15.5；精加工半径补偿值D3=15。
⑴半径补偿轮廓切削加工子程序
建立半径补偿，补偿切削、取消补偿的轮廓切削加工运动，为水平面内各层加工所共有，这些相同内容设为子程序O5602
O5602；（子程序）
G90 G41 G01 X-52.0 Y-20.0；
G03 X-32.Y0.0R20.；
G02 X32.0 Y0.0 R32.0；
G02 X27.2 Y-9.6 R12.0；
G01 X14.4 Y-19.2；
G02 X-14.4 Y-19.2 R24.0；
G01 X-27.2 Y-9.6；
C02 X-32.0 Y0 R12.0；
G03 X52.Y20.0R20. ；
图5-6-5半径补偿加工子程序路线G40 G00 X-57.0Y0. ；
M99；（返回上一级程序）
⑶轮廓加工主程序
粗加工半径补偿值D1=17；半精加工半径补偿值D2=15.5；精加工半径补偿值D3=15。设主程序号为O5601，主程序如下：
O5601；（主程序号）
G90 G21 G94 G40 G49 G17 G54；（设置系统初始环境）
G00 X-57.0 Y0.0；（在换刀点高度平面，X、Y点定位到起点）
G43 G00 Z20.0 H01；（刀具长度补偿到安全高度）
G0 Z-5；
M03 S300 F100
D01 M98 P5602；（调用切削子程序粗加工）
G0 Z-9.0；
D01 M98 P5602；（调用切削子程序粗加工）
G0Z-5；
M03 S400 F150
D02 M98 P5602；（调用切削子程序半精加工）
G0 Z-9.0；
D02 M98 P5602；（调用切削子程序半精加工）
G0Z-10；
M03 S500 F100
D03 M98 P5602；（调用切削子程序精加工）
G0 Z20. ；（刀具长度补偿到安全高度）
G49 G28；（取消长度补偿回参考点）
M05；（主轴停）
M30；（程序结束并返回）
在计算机的的存储区内，程序O5602、O5601看起来关系是“平等”的，但实际应用时它们间存在层级的逻辑关系，O5601是主程序，O5602是子程序。
5．6．5 正六边形轮廓铣削实例
1．正六边形外形铣削加工要求
如图5-6-6工件，毛坯是直径φ80，高40
的圆柱，材料45钢，顶面、底面已加工，现加
工外接圆为60的正六边形轮廓，轮廓深15mm ，
轮廓精度由尺寸51.96±0.02规定,轮廓面和台
图5-6-6正六边形轮廓工件图
阶面有表面粗糙度Ra1.6的要求。
2．余量分配及刀具选用
直径方向的单边最大余量为(80-52)÷2=14 mm，轴向加工加工余量为15㎜，选择直径φ30的四齿立铣刀，材料为高速钢，立铣对正六边形外形粗、精铣削。
拟定Z向深度15 mm，分三层切削，切深分别是7mm、7mm、1mm。
拟定水平面内，分粗、半精、精铣三层切削，粗加工后留余量2mm，半精加工后留精加工余量0.5mm，精铣时沿轮廓加工。
水平面内，粗加工半径补偿值D1=2+15=17；半精加工半径补偿值D2=0.5+15=15.5；精加工半径补偿值D3=15。
3．刀路设计
如图5-6-7，选择工件上表面圆孔中心为工件零点，求得轮廓各基点坐标为A
（-15.0,-25.98）；B（-30.,0）；C（-15.0,25.98）；D（15.0,25.98）；E（30.,0）；F（15.0,-25.98）。
选择刀具的起始点在X55，Y-55，与工件有足够的安全间隙，OP运动建立补偿，FA延长线的P点切入轮廓，EF延长线的E点切出轮廓，QS运动取消补偿。
4．切削用量设计
φ30㎜的立铣刀，有4个刀齿(Z=4)，立铣刀粗铣削Z向切深7㎜；侧向最大切深12㎜，选f Z=0.1，选V=24m/min，则主轴转速S=318×24/30≈300r/min，计算进给速度F=f Z
×Z×S=0.1×4×280≈120㎜/min，综合其它因素确定F=100㎜/min。
立铣刀半精铣削时，侧向最大切深2㎜，取S=400 r/min；F=200㎜/min。
立铣刀精铣削时，侧向最大切深0.5㎜，要保证表面质量，取S=500 r/min；F=100㎜/min。
5．轮廓铣削编程
设主程序号为O5603；设建立半径补偿，补偿切削、取消补偿的加工运动子程序号
O5604。
O5603；（主程序号）
G90 G21 G94 G40 G49 G17 G54；（设置系统初始环境）
G00 X60.0 Y-60.0；（在换刀点高度平面，X、Y点定位到起点）
G43 G00 Z20.0 H01；（刀具长度补偿到安全高度）
G90 G0 Z-7；
M03 S300 F100
D01 M98 P5604；（调用切削子程序粗加工）
G90 G0 Z-14.0；
D01 M98 P5604；（调用切削子程序粗加工）
G90 G0Z-7；
M03 S400 F200
D02 M98 P5604；（调用切削子程序半精加工）
G90 G0 Z-14.0；
D02 M98 P5604；（调用切削子程序半精加工）
G90 G0Z-15；
M03 S500 F100
D03 M98 P5604；（调用切削子程序精加工）
G0 Z20. ；（刀具长度补偿到安全高度）
G49 G28；（取消长度补偿回参考点）
M05；（主轴停）
M30；（程序结束并返回）
O5604（子程序）；
G90 G41 G00 Y-25.98； S→P
G01 X-15.；→A
X-30.Y0；→B
X-15.0 Y25.98；→C
X15.0 ；→D
X30.0 Y0；→E
X0. Y-51.96；→Q
G40 G00 X55.0Y-55.；→S
图5-6-7轮廓半径补偿切削路线图M99；
知识拓展：极坐标编程
1．极坐标指令(G16/ G15)格式应用
极坐标指令(G16/ G15)用于以极坐标的方法表示某一平面内的点的坐标位置。格式：G90/G91 G17 G16 X～Y～；
G90/G91 G18 G16 X～Z～；
G90/G91 G19 G16 Y～Z～；
格式表示的规则如下：
①G16极坐标系有效指令；G15取消极坐标系指令，将回到默认的直角坐标系状态。
②点的位置用极坐标来表示，以相对某基准点的极坐标半径和极坐标角度来确定；
③点所在的平面由G17、G18、G19来指令；极坐标的半径值地址符是平面的第一坐标轴地址符；极坐标角度地址符是平面的第二坐标轴地址符。如：G17指令的X、Y平面，X 作为半径值地址符；Y作为极坐标角度地址符。极坐标的零度方向为第一坐标轴的正方向，逆时针方向为角度方向的正向。
④G90状态时, 为绝对值编程方式，极坐标基准原点是工件坐标系的零点。极坐标半径值应是指终点坐标到编程原点的距离，角度值是指终点坐标与编程原点的连线与X轴的夹角，如图5-6-8a所示。
⑤G91状态时, 为增量值的编程方式，极坐标基准原点是当前进给线段的起点。极坐标半径值是指终点到起点位置的距离，角度值应是指当前起、终点连线与前一起、终点连线间的夹角。如图5-6-8b所示，如，程序段“G9l G17 G16 X～Y～；”。
（a）（b）（c）
（a）工件零点为极坐标原点；（b）线段起点为极坐标系基准点；（c）直线进给极坐标编程例
图5-6-8极坐标编程
例：如图5-6-8c的直线进给运动，用极坐标方式指令如从起点到终点的直线插补。绝对值、增量值方式编程如下：
2．极坐标的应用举例
采用极坐标编程，可以大大减少编程时的计算工作量，因此在编程中得到广泛应用。
例：如图5-6-6工件，直径φ30的平面立铣刀铣削正六边形外形，图样尺寸是以半径与角度形式标注的零件，适合极坐标编程，工件坐标系和起刀点、起刀点均在图中标出。
用极坐标编写图5-6-6工件精加工轮廓子程序O5604如下：
O5604(极坐标编程子程序)
G90 G41 G00 Y-25.98；→P引入补偿
G16 G01 X30 Y240；→A极坐标
Y180；→B极坐标
Y120；→C极坐标
Y60 →D极坐标
Y0；→E极坐标
G91 X60 Y-60；→Q极坐标
G90 G15 G40 G00 X55.0 Y-55. →S直角坐标
M99；